專利名稱：非接觸六自由度位移測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非接觸六自由度位移測量裝置，屬于光電測量領(lǐng)域，特別適用于物體間六自由度相對微位移的高精度測量。

背景技術(shù)：
任何一個物體在空間中的運(yùn)動都有6個自由度，即3個方向的平移(Δx，Δy，Δz)和繞3個方向軸的旋轉(zhuǎn)(θx，θy，θz)。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對航天、航空、機(jī)械、儀表等眾多領(lǐng)域內(nèi)的加工精度、安裝精度和檢測精度提出了更高的要求。被加工工件的定位、精密零件的安裝、目標(biāo)物體在空間的位置與運(yùn)動監(jiān)測等，都需要多至6個自由度的測量、調(diào)整和控制。由于其廣泛的應(yīng)用前景，多自由度的同時非接觸測量是各國研究的熱點(diǎn)，一直被作為檢測領(lǐng)域內(nèi)的一個重要課題進(jìn)行研究。20世紀(jì)60年代以來，出現(xiàn)了較多的光學(xué)測量方法與技術(shù)。六自由度光電測量方法概括起來分為以下幾大類1、傳統(tǒng)的幾何光學(xué)六自由度測量方法；2、基于衍射光柵的六自由度測量方法；3.利用視覺技術(shù)六自由度測量；4、基于激光跟蹤的六自由度測量方法；5、激光干涉與激光準(zhǔn)直組合的六自由度測量方法。上述的六自由度測量技術(shù)各有優(yōu)勢和局限性，也有不同的應(yīng)用條件和背景。在進(jìn)行某工件空間六自由度位移監(jiān)測時，上述自由度測量方法普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝空間不足等問題，難以適用。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種非接觸六自由度位移測量裝置，可實(shí)現(xiàn)物體六自由度的相對微位移的測量，具有光路簡單、精度高的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明提供一種非接觸六自由度位移測量裝置，包括固定不動部分；光源發(fā)光部分，包括四路激光輸出結(jié)構(gòu)，與不動部分固定在一起，并發(fā)射光束；光電接收部分，被測物體與所述光電接收部分固定在一起，并且所述光電接收部分包括四個面陣CCD，其中，分別接收從四路激光輸出結(jié)構(gòu)發(fā)射的光信號中的一路，當(dāng)被測物體發(fā)生運(yùn)動時，引起CCD上相應(yīng)光點(diǎn)位置的變化，根據(jù)運(yùn)動前后光點(diǎn)位置變化計(jì)算物體六自由度位移。
以被測物體運(yùn)動前后兩個成像面為基礎(chǔ)分別建立三維坐標(biāo)系，求解運(yùn)動后的光點(diǎn)在運(yùn)動前的坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，并與運(yùn)動后的坐標(biāo)聯(lián)立求解兩個坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)和平移變換關(guān)系，由此得到被測物體的六自由度位移。
四路激光輸出結(jié)構(gòu)采用1個半導(dǎo)體激光光源發(fā)射光束，所述光束經(jīng)光纖耦合器分光后，由光纖傳輸并進(jìn)行準(zhǔn)直輸出。
四路激光輸出結(jié)構(gòu)發(fā)射的4束光束的反向延長線交于一點(diǎn)。
所述光電接收部分的4個CCD的感光面處于同一平面內(nèi)，分別采集對應(yīng)的光源信號。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝調(diào)整方便、可獲得高測量精度的特點(diǎn)，可用于監(jiān)測物體的微小六自由度位移。



通過結(jié)合附圖，從下面的實(shí)施例的描述中，本發(fā)明這些和/或其它方面及優(yōu)點(diǎn)將會變得清楚，并且更易于理解，其中 圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多路激光輸出結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非接觸六自由度測量裝置的實(shí)施圖； 圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非接觸六自由度測量裝置的原理簡圖； 圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的求解光點(diǎn)三維坐標(biāo)原理的示意圖。

具體實(shí)施例方式 現(xiàn)在將詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，其示例在附圖中示出，其中，相同的標(biāo)號始終表示相同的部件。下面通過參照附圖來描述這些實(shí)施例以解釋本發(fā)明。
圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的激光光源的多路激光輸出結(jié)構(gòu)示意圖。參照圖1，多路激光輸出結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體激光光源1、光纖2、光纖耦合器3、光纖4和準(zhǔn)直器5。半導(dǎo)體光源1發(fā)出激光，通過光纖2傳導(dǎo)至光纖耦合器3，光纖耦合器3將激光分為四束，分別獨(dú)立地從光纖4傳導(dǎo)并經(jīng)過準(zhǔn)直器5準(zhǔn)直后作為所需光束6輸出。在圖1中示出了該多路激光輸出結(jié)構(gòu)輸出四束光束(即，采用了四路激光輸出結(jié)構(gòu))，但是可根據(jù)需要輸出其它數(shù)量的光束。
圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非接觸六自由度測量裝置的實(shí)施圖。該非接觸六自由度測量裝置包括固定不動部分7、光源8、固定支架9以及面陣CCD(電荷耦合器件)10。光源8是發(fā)光部分，可采用圖1所示的四路激光輸出結(jié)構(gòu)。光源8與固定不動部分7固定在一起，并發(fā)射光束。應(yīng)該注意，為了表示簡便，在圖2中僅示出了多路激光輸出結(jié)構(gòu)2的部分結(jié)構(gòu)(例如，準(zhǔn)直器5)，而省略了其他組成部分。
面陣CCD(電荷耦合器件)10是光電接收部分。4個面陣CCD 4通過固定支架9與被測物體11剛性固定，通過調(diào)整使CCD 10的感光面共面，并標(biāo)定出各CCD在整個平面的位置。
將光源8固定在測量中相對不動的部分7上，通過調(diào)整使4束光束反向延長線交于一點(diǎn)，并使各光束在CCD 10上成像，成像點(diǎn)分布如圖3所示。標(biāo)定出各光束間夾角。
初始時，計(jì)算機(jī)采集各CCD圖像，并處理出當(dāng)前各光點(diǎn)中心在圖像坐標(biāo)系中的位置。工作時，當(dāng)被測物體11發(fā)生任意自由度的運(yùn)動(包括旋轉(zhuǎn)或平移)時，帶動固定支架9，從而引起各CCD 10上相應(yīng)光點(diǎn)位置的變化，通過采集CCD圖像，進(jìn)行處理獲得所述光點(diǎn)位置，根據(jù)所述光點(diǎn)位置運(yùn)動前后變化計(jì)算出物體六自由度位移。
下面從理論上對物體六自由度位移的計(jì)算方法進(jìn)行分析 以運(yùn)動前后兩個成像面為基礎(chǔ)分別建立三維坐標(biāo)系，根據(jù)幾何知識求解運(yùn)動后光點(diǎn)在運(yùn)動前坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，并與運(yùn)動后坐標(biāo)聯(lián)立方程組求解兩個坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)和平移變換，即，所述成像平面之間的變換關(guān)系，由此即可得到被測物體的六自由度位移。
圖4給出了求解像點(diǎn)三維坐標(biāo)的簡單示意圖，為了表示清晰，圖中僅畫出了2束對角光線以及相應(yīng)光點(diǎn)坐標(biāo)的求解過程，另外兩束光束的光點(diǎn)坐標(biāo)可以同理獲得。L為光線La和Lb的空間交點(diǎn)，a和b為2束對角光線在相應(yīng)CCD上的成像點(diǎn)(光線與成像面的交點(diǎn))，p為初始時四個CCD所共處的整體成像面，h是初始時對角成像點(diǎn)連線的交點(diǎn)，位于原點(diǎn)位置。被測物體發(fā)生運(yùn)動后，整體成像面移動至P位置，成像點(diǎn)在成像面上的位置變化至A和B，同樣，新的對角光點(diǎn)連線交于點(diǎn)H，點(diǎn)H已經(jīng)離開原點(diǎn)位置。為了進(jìn)行坐標(biāo)求解，過點(diǎn)H做一平面P′平行于初始時的成像面p，光線與P′相交與A′和B′。①建立像面三維坐標(biāo)系 以h點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，x軸和y軸分別平行于圖像坐標(biāo)軸，z軸通過右手定則確定，將運(yùn)動前像面p的三維坐標(biāo)系o-xyz作為基坐標(biāo)系； ②求解運(yùn)動后光點(diǎn)在基坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo) 平面P′與平面Lab相交于線段A′B′，易知ab//A′B′。設(shè)∠Lba＝∠Lab＝α，ah＝bh、AH＝BH，所述線段長度可以通過運(yùn)動前后像點(diǎn)圖像坐標(biāo)以及CCD之間的相對位置關(guān)系求解得到。
當(dāng)AH≥BH時，考慮三角形A′HA，由正弦定理可知 由于α+∠AA′H＝π，故上式可寫為 在三角形B′HB中， 由于2α+∠ALB＝π，∠B′BH＝∠ALB+∠A′AH，那么上式可寫為 將等式(1)與等式(2)相除后可得 從中可解得 至此，圖4中所有三角形的邊、角均可求解 ∠A′HA＝α-∠A′AH aA＝aA′+A′A bB＝aA′-B′B 若AH<BH，可以先考慮在三角形B′HB中求解∠B′BH，同樣可以獲得圖4中的各個幾何量。
設(shè)光點(diǎn)a在基坐標(biāo)系o-xyz中表示的向量與x軸正方向的夾角為


則對于其他像點(diǎn)
那么，在基坐標(biāo)系o-xyz下，A點(diǎn)和B點(diǎn)的坐標(biāo)值分別為

zA＝aA×sinα

zB＝bB×sinα 采用同樣的方式可以獲得C點(diǎn)、D點(diǎn)在基坐標(biāo)系o-xyz下的坐標(biāo)。
③坐標(biāo)變換 六個自由度包括分別繞x、y和z軸的旋轉(zhuǎn)角度ωx、ωy和ωz，以及分別沿三個軸方向的平移運(yùn)動tx、ty和tz，將坐標(biāo)系的運(yùn)動分解后，單獨(dú)分析點(diǎn)坐標(biāo)的變換關(guān)系。
坐標(biāo)系繞x軸旋轉(zhuǎn)ωx， 坐標(biāo)系繞y軸旋轉(zhuǎn)ωy， 坐標(biāo)系繞z軸旋轉(zhuǎn)ωz， 坐標(biāo)系沿軸方向分別平移tx、ty和tz， 上面各式中，[x y z]T、[x′y′z′]T分別為坐標(biāo)系運(yùn)動前后同一點(diǎn)在不同坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。旋轉(zhuǎn)的正方向由右手定則規(guī)定，平移的正方向?yàn)楦鬏S的正向。
按照上面的順序?qū)Ψ植竭\(yùn)動進(jìn)行合成，得到任意運(yùn)動下坐標(biāo)變換關(guān)系如下 其中， (3) 如果按照不同的順序進(jìn)行合成，得到的旋轉(zhuǎn)矩陣表達(dá)式R是不同的，但都可按照相同的方式解算，這里以ωx、ωy、ωz、tx、ty和tz的順序進(jìn)行合成。
④求解旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量并分解各運(yùn)動參數(shù) 將旋轉(zhuǎn)矩陣寫成通過解方程組的方式，求解R和t的各元素，然后再求解各旋轉(zhuǎn)角度。
根據(jù)各像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)可以容易獲得4束光束的舊成像點(diǎn)a、b、c、d在基坐標(biāo)系o-xyz下的坐標(biāo)，4束光束的新成像點(diǎn)A、B、C、D在新坐標(biāo)系O-XYZ下的坐標(biāo)[x′y′z′](其中，在附圖中省略了表示前面提到的另外兩束光束的舊成像點(diǎn)和新成像點(diǎn)的符號c、d以及C、D)。通過上面介紹的方法還可以獲得新像點(diǎn)在基坐標(biāo)系o-xyz下的坐標(biāo)[x y z]。
對于x坐標(biāo)，可以列寫x′＝r11x+r12y+r13z+tx，其中有四個未知數(shù)。雖然有四個光點(diǎn)，但是由于四個點(diǎn)位于同一成像平面上，實(shí)際上只可以得到三個不相關(guān)的方程。又由于旋轉(zhuǎn)矩陣本身是一個單位正交矩陣，各行或列的元素平方和為1，因此有 求解此方程組可以得到旋轉(zhuǎn)矩陣的第一行元素以及沿x軸方向的平移量tx。同理可以獲得R中其他行的元素以及其他兩方向上的平移ty、tz。由于存在二次項(xiàng)，方程組有兩組解。將z軸單位向量通過求解得到的兩組解變換到新的坐標(biāo)系下，z分量為負(fù)的新向量對應(yīng)的解必定是錯誤的，因?yàn)槲⑿〉男D(zhuǎn)角度不可能使z坐標(biāo)軸反向。
獲得了旋轉(zhuǎn)矩陣，按照式(3)中獲得的旋轉(zhuǎn)矩陣元素和各旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系，分解得到各旋轉(zhuǎn)角度 將上述過程用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，就可以求解三個旋轉(zhuǎn)角度[ωx ωy ωz]′以及三個平移分量[tx ty tz]′，從而實(shí)現(xiàn)六自由度的位移測量。
因此，根據(jù)本發(fā)明的非接觸六自由度測量裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝調(diào)整方便、可獲得高測量精度的優(yōu)點(diǎn)，可用于監(jiān)測物體的微小六自由度位移。
雖然已經(jīng)參照本發(fā)明的示例性實(shí)施例具體描述和顯示了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對其進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)的各種改變。
權(quán)利要求
1、一種非接觸六自由度位移測量裝置，包括:
固定不動部分；
光源發(fā)光部分，包括四路激光輸出結(jié)構(gòu)，與固定不動部分固定在一起，并發(fā)射光束；
光電接收部分，被測物體與所述光電接收部分固定在一起，并且所述光電接收部分包括四個面陣CCD，
其中，每個CCD分別接收從四路激光輸出結(jié)構(gòu)發(fā)射的光源信號中的一路光源信號，當(dāng)被測物體發(fā)生任一自由度的運(yùn)動時，引起CCD上相應(yīng)光點(diǎn)位置的變化，根據(jù)變化前后的所述光點(diǎn)位置計(jì)算物體六自由度位移。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸六自由度位移測量裝置，其特征是，以被測物體運(yùn)動前后兩個成像面為基礎(chǔ)分別建立三維坐標(biāo)系，求解運(yùn)動后的光點(diǎn)在運(yùn)動前的坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，并與運(yùn)動后的坐標(biāo)聯(lián)立求解所述兩個三維坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)和平移變換關(guān)系，由此得到被測物體的六自由度位移。
3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非接觸六自由度位移測量裝置，其特征是，所述四路激光輸出結(jié)構(gòu)采用一個半導(dǎo)體激光光源發(fā)射光束，所述光束經(jīng)光纖耦合器分光后，由光纖傳輸并進(jìn)行準(zhǔn)直輸出。
4、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非接觸六自由度位移測量裝置，其特征是，四路激光輸出結(jié)構(gòu)發(fā)射的光束的反向延長線交于一點(diǎn)。
5、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非接觸六自由度位移測量裝置，其特征是，所述光電接收部分的4個CCD的感光面處于同一平面內(nèi)，分別采集對應(yīng)的光源信號。
全文摘要
本發(fā)明提供一種非接觸六自由度位移測量裝置，包括固定不動部分；光源發(fā)光部分，包括4路激光輸出結(jié)構(gòu)，與固定不動部分固定在一起，并發(fā)射光束；光電接收部分，被測物體與所述光電接收部分固定在一起，并且所述光電接收部分包括4個面陣CCD，其中，每個CCD分別接收從4路激光輸出結(jié)構(gòu)發(fā)射的光源信號中的一路光源信號，當(dāng)被測物體發(fā)生任一自由度的運(yùn)動時，引起CCD上相應(yīng)光點(diǎn)位置的變化，根據(jù)變化前后的所述光點(diǎn)位置計(jì)算物體六自由度位移。本發(fā)明的非接觸六自由度位移測量裝置可用于物體高精度的六自由度微位移監(jiān)測。
文檔編號G01B11/02GK101382417SQ20081014983
公開日2009年3月11日 申請日期2008年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月8日
發(fā)明者勇 呂, 劉力雙, 郎曉萍, 呂乃光, 鵬 孫 申請人:北京信息科技大學(xué)